胡文平&江浪Adv. Mater.：通過普通介電層克服半選擇問題的有機鐵電基1T1T隨機存儲器單元

Kevin 6年前 (2017-07-15) 3086瀏覽

【引言】

迄今為止，有機場效應晶體管（OFETs）已經見證了在高遷移率半導體材料和具有成本效益的制造工藝中的顯著進步，這對于功能性可穿戴電子產品十分重要。特別地，人們在柔性集成電路（ICs），主動矩陣顯示器，射頻識別標簽，智能通信設備以及傳感器中產生了巨大的興趣。基于鐵電性的有機非易失性存儲器代表了用于具有低成本和低溫處理性、廣泛兼容性、強大的數據保留能力、無損讀出以及簡短編程過程的柔性存儲器模塊中極具前景的技術。傳統基于IC的存儲器系統需要結合隨機存取存儲器（RAM）和閃存作為信息存儲元件，其中陣列存儲器像素的集成和制造十分復雜。晶體管型存儲器比電容式存儲器具有多種優點，然而，傳統的晶體管型鐵磁性RAM（FeRAM）會遇到被稱為半選擇型的問題。

【成果簡介】

近日，天津大學胡文平教授、中國科學院化學研究所江浪研究員（共同通訊）等人在Advanced Materials上發表了題為“Organic Ferroelectric-Based 1T1T Random Access Memory Cell Employing a Common Dielectric Layer Overcoming the Half-Selection Problem” 的文章。該研究團隊為了克服半選擇問題，在選擇晶體管時需要與鐵電場效應晶體管組成1T1T FeRAM 單元。與使用多個電介質的復雜制造方法不同，該系統簡化了使用一種普通電介質進行1T1T FeRAM單元制造的過程。文中提出了用于半導體/絕緣體接口調制的策略，并將其應用于在訪問驅動器屬性或尋址時高性能的非遲滯選擇晶體管中。結果表明，在所得到的的選擇晶體管中，DPA的空穴遷移率高達3.81cm2V-1s-1（平均），同時PDI-FCN2的電子遷移率為0.124cm2V-1s-1（平均）。本文的工作證明了該技術在有機鐵電基像素化存儲模塊制造中的潛力。

【圖文導讀】

圖1 P（VDF-TrFE）上的隔離層（PS）的形貌表征

（a）采用BG/TC配置具有PS隔離層的P（VDF-TrFE）基OFET結構圖；

（b）P（VDF-TrFE）上的隔離層（PS）表面的SEM圖；

(c）退火后P（VDF-TrFE）嵌入的β相晶粒棒狀特征的SEM圖;

(d）110℃下熱處理1小時后，SiO2/Si襯底上P（VDF-TrFE）/PS雙層的橫截面SEM圖。

圖2 Al/P（VDF-TrFE）/PS/Au的電化學表征

（a）具有Al/P（VDF-TrFE）/PS/Au配置的電容器結構示意圖及其雙介電層的電容特性與測試頻率間的關系；

（b）0.1 V偏壓下，阻抗為x軸，測試頻率為y軸，相位為z軸的交流阻抗3D圖；

（c）雙層電介質分別在1k Hz，10k Hz，100k Hz和1 MHz時的C-V特性；

（d）P（VDF-TrFE）/PS膜（P（VDF-TrFE）厚度為1040nm）的D-E滯后回線；

（e）施加DC掃描偏壓時，該雙層的轉換I-V特性；

（f）不同溫度下再加熱過程后經過退火的P（VDF-TrFE）膜的X射線衍射（XRD）圖。

圖3 P（VDF-TrFE）/PS電介質的物理性能表征

（a）具有P（VDF-TrFE）/PS電介質的PDI-FCN2（n型）晶體管的輸出特性曲線；

（b）具有P（VDF-TrFE）/PS電介質的DPA（p型）和PDI-FCN2（n型）的傳輸特性曲線：源-漏極電流作為柵極偏置順時針掃描的函數；

（c）具有P（VDF-TrFE）/PS電介質的DPA（p型）晶體管的輸出特性曲線；

（d）DPA（p型）和PDI-FCN2（n型）晶體管的載流子遷移率的平均值和誤差值的統計。

圖4 1T1T FeRAM的傳輸性能表征

（a）1T1T FeRAM單元的結構圖及其矩陣電路圖；

（b）在玻璃基板上制作的FeRAM單元器件照片；

（c）選擇晶體管（Vds=-60V）和鐵電存儲晶體管（Vds=-10V）的傳輸特性曲線；

（d）分別由60和-60V短脈沖寫入1秒的“0”狀態和“1”狀態的鐵電存儲晶體管的保持行為；

（e）FeFET器件的開/關比率的高斯分布與映射統計；

（f）施加正，負源極-漏極偏壓時選擇晶體管的傳輸特性；

（g）VSL=-60V，VSDL1=-10V，VSDL2=0V時FeRAM單元的寫入操作過程；

（h）VRAM=0V，VSDL1=-10V，VSDL2=0V時FeRAM單元的擦除操作過程。

【小結】

該研究團隊使用PS作為隔離層，開發了采用普通電介質的新型鐵電RAM單元（1T1T FeRAM單元）。成功實現了降低鐵電OFET的滯后特性的有效接口調制策略。因此，具有雙層電介質的“鈍化”晶體管表現較高的性能和可忽略的滯后，使其適合于選擇目的并可以簡化1T1T單元的制造。該工作在柔性有機電路中基于鐵電的有機存儲技術領域具有巨大的潛力。

文獻鏈接： Organic Ferroelectric-Based 1T1T Random Access Memory Cell Employing a Common Dielectric Layer Overcoming the Half-Selection Problem（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701907）

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